Photovoltaïque 2017 (04) : Comment conquérir les façades

L’idée est simple. Pour concevoir et construire des bâtiments Bepos (Bâtiment à Energie Positive), il faudra produire de l’énergie sur site. Souvenons-nous qu’un bâtiment Bepos est tellement bien isolé que ses besoins de chauffage sont très faibles, mais que des besoins de rafraîchissement apparaissent.

Les deux solutions les plus efficaces et les plus simples pour produire de l’énergie sur site sont donc, d’une part, le solaire thermique pour les bâtiments à forts besoins d’Eau Chaude Sanitaire (ECS) et le solaire photovoltaïque, d’autre part, pour tous les bâtiments.

Le projet SmartFlex a abouti au test en grandeur réelle d’une double façade, dont la peau extérieure est équipée de cellules photovoltaïques espacées pour préserver la vue et l’accès à la lumière naturelle. ©PI Berlin

Le photovoltaïque doit investir les façades

Dans un immeuble de bureaux – faibles besoins de chauffage, très faibles besoins d’ECS, fortes consommations d’électricité pour tous les autres usages -, la surface disponible en toiture ne permettra pas d’installer suffisamment de modules pour produire assez d’électricité photovoltaïque pour rendre Bepos, même le moins gourmand des bâtiments neufs.

Il faut donc investir aussi la façade, même si l’orientation des modules n’est pas idéale dans cette configuration et réduit leur rendement. Les architectes ne sont pas encore très familiers avec les possibilités du photovoltaïque en façade. Le projet Européen SmartFlex se propose de les aider et constitue le chaînon manquant entre les fabricants de panneaux photovoltaïques et les architectes.

La double façade SmartFlex est conçue de manière classique : ouvertures en haut et en bas pour une circulation d’air naturelle par convection. Ouvrants sur la façade intérieure pour une ventilation naturelle, etc. ©PI Berlin

SmartFlex montre toute les possibilités de personnalisation des modules PV

Financé par la Commission Européenne à hauteur de 2,9 millions d’Euros, SmartFlex Solar Façades  a débuté le 1er novembre 2013. Concrètement, il a abouti à un logiciel qui permet de concevoir des façades photovoltaïques de n’importe quelles formes et couleurs en utilisant les possibilités de personnalisation des modules photovoltaïques.

Au lieu d’être ajoutés tant bien que mal, sur un bâtiment fini, les modules deviennent partie intégrante du clos-couvert dès la conception. Les partenaires du projet sont à la fois des industriels – Glassbel pour le verre, Via Solis pour la fabrication de modules PV, Mondragon Assembly le spécialiste de l’équipement des usines PV -, des instituts de recherche – Photovoltaik-Institut Berlin, SUPSI le centre de compétence suisse pour le BIPV (Building-Integrated PV ou PV intégré au bâti – et Creative Amadeo, un éditeur de logiciels CAD.

Sur la partie sud-est de son bâtiment test, le consortium SmartFlex teste également des protections solaires verticales sous forme de panneaux photovoltaïque semi-translucides. ©Glassbel

Un bâtiment test

Deux façades du siège social du verrier Glassbel, situé à Klaipeda en Lithuanie, ont été utilisés pour tester une installation PV de 15 kWc de puissance nominale. La surface totale des deux façades, orientée sud-est et sud-ouest, atteint 600 m².

L’installation se compose de 75 modules, de 15 types différents et de dimensions diverses : jusqu’à 1,7 x 3,6 m pour une puissance nominale de 274 Wc. Plusieurs solutions de fixation des modules ont été utilisées pour tester leur fiabilité : verre structurel, verre collé, percement et fixation à une ossature, etc. Chaque module est équipé d’un onduleur string de l’américain Enphase Energy.

Ce qui permet d’isoler et d’observer précisément le fonctionnement de chacun des 75 modules individuellement. L’installation a été raccordée et mise en service en Novembre 2016. Le but est de développer une solution combinant software et outil industriel, capable de concevoir très librement et de personnaliser des façades PV, tout en les produisant de manière industrielle.

L’outillage mis au point par Mondragon Assemby est capable de produire des modules de dimensions maximales de 1,7 x 3,5 m, d’une épaisseur minimale de 4,8 mm, atteignant jusqu’à 345 Wc en puissance nominale et d’une durée de vie de 35 ans grâce à leur structure bi-verre : verre/couche photovoltaïque/verre.

Mondragon Assembly a développé l’outillage nécessaire et Via Solis a équipé une ligne de production permettant d’industrialiser la fabrication de panneaux PV sur-mesures pouvant atteindre de grandes dimensions. ©Via Solis

Jusqu’à 800 kWh d’électricité par an et par kWc installé

Les façades sont en fonctionnement depuis 6 mois. Le 16 Mai dernier, le Photovoltaik-Institut de Berlin (PI Berlin), chargé du monitoring, a rendu ses premières conclusions. Thomas Weber, responsable de ce projet au PI Berlin, prévoit une production annuelle de 800 kWh par kWc installé en façade. Soit une production totale annuelle de 12 000 kWh.

L’installation est en Lithuanie, un pays considéré comme peu favorable en raison d’un ensoleillement relativement faible, notamment des durées diurnes courtes pendant les mois d’hiver. Lors de la conception des façades, PI Berlin a proposé des modifications qui ont conduit à une augmentation de 25% de la production annuelle d’électricité.

De son côté, Tomas Lenkimas, responsable de la R&D chez Glassbel, chiffre le coût de cette double façade PV à 550 € HT/m², contre 880 € HT/m² pour une double façade de verre classique. Le logiciel développé par Creative Amadeo sera présenté lors du prochain salon Intersolar, début juin 2017 à Munich. A intersolar, nous verrons d’ailleurs très probablement d’autres démarches pour intégrer le PV en façade.

Das Energy, soutenu par un avionneur développe des panneaux PV en silicum cristallin à base de cellules très minces, collées sur un support en matière de synthèse. Résultat, une gamme de panneaux extrêmement légers, très résistants et capables d’épouser les courbes d’une toiture ou d’une façade. ©PP

Le PV en façade : un petit nombre de spécialistes

D’une manière générale, on observe trois approches en ce qui concerne le PV en façade : soit il est semi transparent et intégré aux éléments vitrés, soit il est collé sur les parois opaques, soit il est utilisé sous forme de panneaux de bardage devant une isolation par l’extérieur.

En France, la première démarche est notamment celle du partenariat entre Vinci Construction et Sunpartners qui ont successivement annoncé leur fenêtre photovoltaïque Horizon, puis une façade en mur manteau semi-transparent et photovoltaïque. En Europe, Ertex a réalisé des centaines de projets BIPV depuis 2004. Toujours en utilisant des modules semi-transparents ou bien des modules opaques en bardage.

Pour coller du PV sur les parois opaques, il faut des modules présentant une certaine souplesse, notamment pour épouser les courbes des façades ou des toitures. C’est le domaine d’Heliatek, dont nous avons déjà abondamment parlé, mais aussi de DAS Energy, une entreprise autrichienne, joint-venture entre Diamond Aircraft Industries GmbH et Alternative Energy Solutions GmbH.

Elle fabrique dans sa nouvelle usine de Vienne, d’une capacité de production annuelle de 75 MWc, des modules PV en silicium cristallin de 2 à 72 cellules, sur panneau semi-rigide en plastique. Un module pèse en moyenne 2,5 kg/m², soit 4,5 kg pour une puissance nominale de 250 Wc. DAS Energy sait aussi fabriquer des modules sur mesures en termes de couleurs et de dimensions.

Depuis 2004, Ertex a réalisé des projets de BIPV dans toutes les configurations possibles, à l’exception du PV collé sur le gros-œuvre. Il a installé du PV en garde-corps de balcons, en bardage opaque, en protections solaires, en parois vitrées semi-transparentes sur des vérandas, en murs rideaux, etc.©Ertex

Les belles cellules de S’TILE

De son côté, le français S’Tile  a inventé une nouvelle cellule photovoltaïque, baptisée i-Cell pour Integrated-Cell ou cellule intégrée. Les i-Cells se composent de 4 sous-cellules connectées en série. Elles sont disponibles à la fois sous forme classique et en version « biomimétique » pour réaliser des panneaux plus esthétiques et, à surface égale, générant 12% de gain de puissance.

La troisième approche, utilisation des modules PV en bardage est devenue particulièrement aisée avec le développement des modules bi-verre. Ils sont en effet parfaitement étanches, puisque la couche PV est entièrement emprisonnée entre deux feuilles de verre. Il faut juste que le concepteur de la façade et l’entreprise qui la met en œuvre, pensent aux raccordements électriques des modules.

La cellule biomimétique du Français S’Tile est plus belle et plus efficace. L’entreprise est en mesure de la produire en quantité, ainsi que des panneaux photovoltaïques constitué à base de ces cellules depuis le début 2017. ©PP

Swinssinso a inventé une coloration du verre, utilisé soit pour des panneaux PV, soit pour des panneaux solaires thermiques, qui tout à la fois améliore leur rendement et offre aux concepteurs une grande variété de couleurs. ©PP